Dès son plus jeune âge, Charles Francis suivit son père, le diplomate et futur président John Quincy Adams, qui était en poste en Europe à St Petersbourg.Il devint un véritable polyglote, pratiquant l'allemand , le français et le Russe. En 1815, il entreprit en compagnie de sa mère, Louisa Catherine, le difficile voyage en carosse de Russie à Paris. Peu de temps après, il traversa la Manche pour accompagner son père qui avait été nommé à Londres. L'image des Etats Unis étant particulièrement mauvaise au Royaume Uni, il dut faire usage de ses poings à de nombreuses reprises pour faire respecter son pays. En 1817, il revint en Amérique, fut diplomé d'Harvard peu de temps après l'inauguratio de son père en tant que président des Etats unis.

De 1831 à 1836, Charles Francis Adams s'engagea dans la politique, il fut membre de la législature du Massachusetts. Comme son père, il adhéra au parti whig, conservant son droit de parole et sa liberté de manoeuvre. En 1848, Le parti Free Soil, nouvellement créé, se réunit en convention nationale à Buffalo et nomma Martin Van Buren comme président ,Charles Francis Adams comme Vice-Président. Les chances de ce parti étaient quasiment nulles mais ce fut un des courants qui composèrent six années plus tard le parti républicain.

En 1858, les électeurs républicains du troisième district du Massachusetts l'élirent au congrès et renouvelèrent leur choix deux années plus tard. Au printemps 1861, le président Lincoln le désigna comme ambassadeur en Grande Bretagne, poste qui avait déjà occupé avant lui par son père et son grand-père. De 1861 à 1868, dates à laquelle il occupa le poste, ses efforts pour obtenir la neutralité des britanniques dans le conflit qui opposait le nord au sud peuvent être considérés comme un des grands succès de la diplomatie américaine.

En 1872, Charles Francis Adams tenta d'obtenir l'investiture des Liberaux Républicains pour le poste de président des Etats Unis mais il ne peut obtenir le deux tiers des suffrages nécéssaires et laissa cette tâche au journaliste Horace Greeley.

Les dernières années de sa vie furent consacrées à la publication des ouvrages de son père et de son grand père, les présidents John Adams et John Quincy Adams ainsi qu'à ses propres discours.

Charles Francis Adams est le père de quatres célèbres écrivains et historiens américains : John Quincy Junior (né en 1833), Charles Francis Jr (né en 1835), Henry (né en 1838) et Brooks Adams (né en 1848).